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Astronomie|Physik

Astronomen beobachten Rugbyball-Exoplaneten

WASP-103b
Der Exoplanet WASP-103b ist verformt. (Bild: ESA)

Normalerweise sind Planeten annähernd kugelförmig, ihre eigene Schwerkraft bringt sie in diese Form. Doch es gibt Ausnahmen – eine davon ist der Exoplanet WASP-103b im Sternbild Herkules. Dieser Planet umkreist einen hellen Stern sehr nah und benötigt nur einen Tag für seinen Umlauf. Welche Folgen dies hat, haben Astronomen jetzt mithilfe des Weltraumteleskops CHEOPS erstmals direkt beobachtet. Die Lichtkurven der Transits von WASP-103b vor seinem Stern enthüllen, dass der Planet stark verformt ist – die Gezeitenkräfte des nahen Sterns haben ihn Rugbyball-förmig auseinandergezogen. Das Ausmaß dieser Verformung lässt dabei auch Rückschlüsse auf seine innere Zusammensetzung zu.

Die Auswirkungen von Gezeitenkräften erleben wir auf der Erde täglich: Die Anziehungskraft des Mondes wirkt auf das Wasser der Ozeane und erzeugt Ebbe und Flut. Auch der Schwerkrafteinfluss der Sonne kommt zum Tragen, wenn auch wegen ihrer großen Entfernung eher in geringem Maße. Weit extremer ist es jedoch, wenn ein Planet deutlich näher um seinem Stern kreist, wie es bei vielen sogenannte heißen Jupitern der Fall ist – großen Gasplaneten, deren Umlaufbahnen sehr nahe am Stern liegen. Schon länger vermuten Astronomen, dass diese Nähe zu extremen Gezeitenkräften auf dem Planeten führt. Sie könnten so stark sein, dass sie den gesamten Planeten elliptisch auseinanderziehen und verformen. Bisher war es jedoch noch nie gelungen, diesen Effekt direkt zu beobachten.

Lichtkurven verraten Deformation

Um dies zu ändern, hat ein internationales Astronomenteam um Susana Barros von der Universität von Porto in Portugal gezielt einige heiße Jupiter mit dem Weltraumteleskop CHEOPS näher in Augenschein genommen. Dieses Teleskop ist darauf ausgelegt, die Lichtkurven von Planetentransits in hoher Auflösung aufzunehmen. Anhand der Lichtkurven können Astronomen dann auf wesentliche Eigenschaften der Exoplaneten schließen. Eines der Zielobjekte der Messkampagne war der Planet WASP-103b, ein heißer Jupiter im Sternbild Herkules, der etwa doppelt so groß und 1,5-mal so schwer ist wie Jupiter. Er umkreist einen Stern, der rund 200 Grad heißer und 1,7-mal größer ist als unsere Sonne – benötigt für einen Umlauf aber nur knapp einen Tag. WASP-103b ist seinem Stern damit etwa fünfzigmal näher als die Erde der Sonne.

„Wegen seiner großen Nähe zu seinem Stern hatten wir bereits vermutet, dass auf dem Planeten sehr große Gezeiten verursacht werden. Nachweisen konnten wir das bisher jedoch nicht“, erklärt Co-Autor Yann Alibert von der Universität Bern. Doch nachdem das Team zwölf Transits des Planeten mit CHEOPS analysiert hatte und zusätzlich Daten der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer hinzuzog, änderte sich dies: Aus den Lichtkurven konnten sie entnehmen, dass WASP-103b verformt sein muss. Als Folge der starken Gezeitenkräfte ähnelt er eher einem elliptischen Rugbyball als einer Kugel. „Es ist unglaublich, dass CHEOPS diese kleine Deformation nachweisen konnte“, sagt Co-Autor Jacques Laskar vom Observatorium der Sorbonne-Universität in Paris. „Dies ist das erste Mal, dass eine solche Analyse durchgeführt wurde.“

Love-Zahl und orbitale Veränderungen

Die Ergebnisse erlauben aber nicht nur Rückschlüsse auf die Form von WASP-103b, sondern auch auf sein Inneres. Das Team konnte aus der Transitlichtkurve des Planeten auch die sogenannte Love-Zahl ableiten – einen Parameter, der angibt, wie die Masse innerhalb des Planeten verteilt ist. „Der Widerstand eines Materials gegen Verformung hängt von seiner Zusammensetzung ab“, erklärt Co-Autor Babatunde Akinsanmi von der Universität Genf. „Indem wir messen, wie stark der Planet verformt ist, können wir deshalb feststellen, wie viel von ihm aus Gestein, Gas oder Wasser besteht.“ Die Auswertung ergab, dass die Love-Zahl von WASP-103b der des Jupiter ähnelt. Der Exoplanet muss demnach ähnlich aufgebaut sein wie der Gasriese in unserem Sonnensystem, er ist aber stärker aufgebläht. Wodurch genau dieses Aufblähung verursacht wurde, ist aber noch unklar.

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Ebenfalls unklar ist der Einfluss der stellaren Schwerkraft auf den Orbit von WASP-103b. Der Theorie nach müsste ein Planet in einer so geringen Entfernung von seinem Stern so stark angezogen werden, dass sich seine Umlaufbahn spiralig immer weiter verengt. Irgendwann kommt der Planet seinem Stern dadurch so nahe, dass er von dessen Schwerkraft zerrissen und verschlungen wird. Im Falle von WASP-103b konnte das Astronomenteam aber keine klaren Indizien für eine solche Verengung des Orbits finden – eher im Gegenteil. „Es gibt Hinweise auf eine Verlängerung der orbitalen Periode, was den Erwartungen widerspricht“, erklären Barros und ihre Kollegen. Ob der Exoplanet allerdings tatsächlich von seinem Stern wegdriftet oder ob die Daten auf statistische Artefakte und andere messbedingte Verzerrungen zurückgehen, muss nun noch geklärt werden.

Quelle: Susan Barros (Universidade do Porto) et al., Astronomy & Astrophysics, doi: 10.1051/0004-6361/202142196

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